Influence du taux de porosité intra-mèche

L’effet de la porosité intra-mèche sur le comportement à l’impact basse vitesse des différents stratifiés a été étudié.

4.2.3.1. Composites tissés à matrice PEEK

Les courbes d’effort en fonction du déplacement des composites tissés poreux (Tableau 4.6) et les profils des éprouvettes impactées sont présentés Figure 4.13 et Figure 4.15. Deux types de comportements se distinguent.

Composites poreux renforcés par les fibres minérales tissées

Les courbes Figure 4.13 montrent des comportements sous impact très similaires entre les composites renforcés par les fibres minérales. Quelque soit la nature de la fibre, une chute de raideur progressive est visible sur la partie ascendante des courbes. Ensuite, l’effort décroit graduellement à partir d’une valeur relativement faible. La force maximale enregistrée est trois fois moins importante que celle observée dans les cas des matériaux denses (Figure 4.7) et de manière générale, le déplacement en fin d’impact a doublé. Les courbes relatives au stratifié renforcé par les fibres de basalte (Figure 4.13c) indiquent une variation de comportement selon les éprouvettes. Comme cela est bien visible Figure 4.14, la flexion du barreau engendre des ruptures de fibres en traction sur sa face opposée à l’impact. De plus, un endommagement par cisaillement transverse apparait clairement dans la partie supérieure de toutes les éprouvettes. Il se manifeste sous la forme d’importantes décohésions/ondulations des plis et par des ruptures de fibres, suite à la rupture de la matrice. Aussi, les dommages en cisaillement sont beaucoup plus importants dans les éprouvettes renforcées par le tissu de carbone (Figure 4.14a). Ces dernières ne sont que partiellement rompues. Les spécimens avec fibres de verre (Figure 4.14b) et de basalte (Figure 4.14c) présentent respectivement des ruptures charnières et totales. Leur fracture est ainsi provoquée par la combinaison des sollicitations de flexion et de cisaillement : des ruptures en traction sont initiées sur la face opposée à l’impact. Ensuite, celles-ci gagnent progressivement la partie supérieure du stratifié, en se propageant préférentiellement le long des zones déjà endommagées par cisaillement et au voisinage desquelles la résistance du matériau est donc altérée.

Les composites renforcés par les fibres de verre et de basalte bien imprégnées n’étaient pas sujets à l’endommagement par cisaillement au cours de l’impact (Paragraphe 4.2.1). Le stratifié dense à renforts carbone montrait des ruptures en cisaillement beaucoup moins importantes que le matériau poreux. La porosité intra-mèche augmente donc la sensibilité des composites renforcés par les fibres inorganiques au cisaillement transverse d’une part. De plus, les courbes d’effort révèlent un comportement beaucoup plus ductile des matériaux poreux à l’échelle macroscopique. La porosité intra-mèche favorise donc la déformation inélastique des composites à renforts minéraux d’autre part. Dans les mèches peu imprégnées, les fibres ont la possibilité de glisser individuellement les unes par rapport aux autres, ce qui limite la sensibilité des matériaux à la propagation brutale des dommages en traction. Ainsi, possédant d’excellentes propriétés mécaniques, le stratifié renforcé par les fibres de carbone ne subit qu’une rupture partielle au cours du choc.

a) Sergé 2/2 de carbone poreux

b) Sergé 2/2 de verre poreux

c) Sergé 2/2 de basalte poreux

Figure 4.13 : Courbes effort/déplacement (à gauche) et photographies après impact Charpy (à droite) des éprouvettes poreuses renforcées de tissus sergé 2/2 de carbone (a), de verre (b) et de basalte (c)

C B A

a) Sergé 2/2 de carbone poreux b) Sergé 2/2 de verre poreux

c) Sergé 2/2 de basalte poreux

Figure 4.14 : Zones A, B et C (Figure 4.13) des éprouvettes poreuses renforcées de tissus sergé 2/2 de cabone (a), de verre (b) et de basalte (c) après impact Charpy (Loupe binoculaire)

Composites poreux renforcés par les fibres organiques tissées

Les courbes Figure 4.15 indiquent des comportements sous impact fortement reproductibles et très similaires entre les deux composites à renforts organiques. Celles-ci présentent une allure très plate et très allongée. Cela signifie que les matériaux possèdent une très faible rigidité transverse et ne fournissent qu’une légère résistance au déplacement du marteau impacteur.

D’après la Figure 4.16, les éprouvettes n’exhibent aucun signe d’endommagement apparent, si ce n’est une indentation mineure de la matrice au niveau du point d’impact. La porosité intra-mèche favorise donc la déformation macroscopique des composites à renforts inorganiques déjà très ductiles (Paragraphe 4.2.1) et diminue d’autant plus leur sensibilité à l’endommagement sous impact. Traction Traction Traction Cisaillement Cisaillement Cisaillement IMPACT IMPACT IMPACT

a) Sergé 2/2 d’aramide poreux

b) Sergé 2/2 de PBO poreux

Figure 4.15 : Courbes effort/déplacement (à gauche) et photographies après impact Charpy (à droite) des éprouvettes poreuses renforcées de tissus sergé 2/2 d’aramide (a) et de PBO (b)

a) Sergé 2/2 d’aramide poreux b) Sergé 2/2 de PBO poreux

Figure 4.16 : Zones A et B (Figure 4.15) des éprouvettes poreuses renforcées de tissus sergé 2/2 d’aramide (a) et de PBO (b) après impact Charpy (Loupe binoculaire)

La Figure 4.17 rassemble l’évolution de la résilience moyenne en fonction de la fraction volumique de porosité de tous les stratifiés renforcés par les fibres minérales et organiques tissées.

L’énergie absorbée par le carbone et le verre augmente de manière identique avec le taux de porosité. Une faible imprégnation du tissu favorise en effet la déformation de la structure, ce qui permet de retarder sa rupture. Cette dernière consomme de ce fait une plus large part d’énergie.

IMPACT IMPACT

B A

L’énergie moyenne absorbée par le composite à renforts basalte n’évolue quasiment pas avec le taux de porosité. Néanmoins, des écarts à la moyenne importants peuvent être notés pour le matériau faiblement densifié. Il est donc pour l’instant difficile de conclure de manière formelle quant à l’effet de la porosité pour ce type de fibre. Aussi, le cas particulier du stratifié renforcé par les fibres de basalte faiblement imprégnées est détaillé dans le paragraphe qui suit.

Enfin, l’énergie décroit fortement pour les stratifiés à renforts organiques. En effet, la porosité intra- mèche diminue fortement la rigidité transverse de ces composites, déjà très ductiles. Ainsi, ces derniers ne fournissent plus qu’une très faible résistance au déplacement de l’impacteur et sont éjectés du dispositif en n’ayant absorbé qu’une très faible quantité d’énergie.

Figure 4.17 : Résistance moyenne au choc Charpy des composites renforcés de tissus sergé 2/2 en fonction du taux volumique théorique de porosités

En conclusion, aucune des éprouvettes renforcées par les fibres organiques n’a rompu lors des tests. L’essai Charpy ne permet donc pas d’exploiter la totalité de leur capacité d’absorption d’énergie. C’est pourquoi, une campagne d’essais à plus haute vitesse d’impact a été réalisée au moyen du canon à gaz comprimé (Paragraphe 4.3), de façon à juger du potentiel réel de ses matériaux par comparaison aux composites renforcés par les fibres minérales de carbone et de basalte.

Cas particulier du composite renforcé par le tissu de basalte faiblement imprégné

Une variation non négligeable de comportement sous impact a été constatée entre les différentes éprouvettes du composite renforcé par le tissu de basalte faiblement imprégné (Figure 4.13). Deux des exemples les plus caractéristiques sont présentés Figure 4.18.

D’après les courbes, la raideur initiale des deux éprouvettes est très similaire. Cependant, la rupture de la première (Figure 4.18a) intervient de façon beaucoup plus brutale, pour un effort maximal légèrement supérieur à la seconde (Figure 4.18b). Cette dernière présente des signes de cisaillement plus importants après impact. Sa résilience est de 204 kJ.m-2 contre 136 kJ.m-2 pour le premier échantillon, ce qui représente un écart d’énergie de 50%.

Dans le paragraphe précédent, il a été démontré que de manière générale, la porosité intra-mèche favorise une propagation progressive des dommages dans les composites à renforts inorganiques et augmente leur sensibilité au cisaillement. Ainsi, il est possible de faire l’hypothèse que la variation de comportement observable entre les éprouvettes Figure 4.18 peut être due à une différence de leur taux de porosité intrinsèque, fonction du lieu de prélèvement de l’échantillon dans la plaque initiale.

D’après les valeurs de résilience mesurées, cela confirmerait que la résistance au choc du matériau augmente effectivement avec son taux de porosité.

a

b

Figure 4.18 : Courbes effort/déplacement (à gauche) et photographies après impact Charpy (à droite) de deux éprouvettes poreuses renforcées de tissus sergé 2/2 de basalte présentant deux niveaux d’endommagement

différents

4.2.3.2. Composites à matrice PEEK renforcés par les fibres de basalte

tricotées

Les courbes d’effort en fonction du déplacement des composites tricotés poreux (Tableau 4.7) et les photographies sur champ des éprouvettes impactées sont présentées Figure 4.19.

La superposition des courbes d’effort indique une bonne reproductibilité des mécanismes d’endommagement pour chaque matériau. Ces courbes, et notamment celles du jersey (Figure 4.19a), sont très plates et très allongées. Cela signifie que les coupons réagissent de manière fortement ductile à l’échelle macroscopique. L’insertion de fils flottés limite cependant la souplesse transverse du textile (Figure 4.19b).

Les barreaux n’ont subi qu’une rupture partielle lors du choc. De plus, ils présentent une forte rigidité résiduelle. C’est d’autant plus le cas du jersey. Comme dans les cas des structures denses (Figure 4.11), des ruptures de fibres en traction s’initient sue la face opposée à l’impact. Mais leur propagation dans l’épaisseur du stratifié reste très limitée.

Comme pour les contextures tissées, la porosité intra-mèche augmente donc la souplesse transverse des composites à renforts tricotés, ce qui permet de limiter la propagation des dommages dans le matériau. Ainsi, comme le montre la Figure 4.20, la résilience des composites à renforts tricotés

acU = 136 kJ.m -2 acU = 204 kJ.m -2 Faible cisaillement Cisaillement important

part d’énergie non plus par endommagement mais par déformation pseudo-plastique. Du fait d’une raideur plus faible, l’énergie absorbée par le jersey peu imprégné est inférieure à celle du jersey- chargé.

a) Jersey basalte poreux

b) JC2 basalte poreux

Figure 4.19 : Courbes effort/déplacement (à gauche) et photographies après impact Charpy (à droite) des éprouvettes poreuses renforcées de tricots de basalte jersey (a) et JC2 (b)

Figure 4.20 : Résistance moyenne au choc Charpy des composites renforcés de tissus sergé 2/2 et de tricots de basalte en fonction du taux volumique théorique de porosités

4.3. Etude comparative du comportement sous impact